作者：Jeff Shepard

包括本地網(wǎng)絡(luò)和云連接在內(nèi)的無線通信是一系列智慧能源和公用事業(yè)系統(tǒng)的基本要素，具體包括各種能量計(jì)量儀表、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、綠色能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)現(xiàn)代化、智慧電網(wǎng)和智慧城市。這些應(yīng)用往往涉及邊緣連接，需要使用IEEE 802.15.4、Zigbee、藍(lán)牙和其他協(xié)議來支持低延遲、可預(yù)測和安全的通信。在有些情況下，諸如 IEEE 802.11 g/n標(biāo)準(zhǔn)等低功耗、高吞吐量無線協(xié)議對于這些應(yīng)用來說很有用。這類協(xié)議在室外約 300 m 范圍內(nèi)提供高數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡(luò)接入。

此外，這些無線設(shè)備必須符合美國聯(lián)邦通信委員會(huì) （FCC） 標(biāo)準(zhǔn)，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) （ETSI） 要求、歐洲 EN 300 328 和 EN 62368-1標(biāo)準(zhǔn)，加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展 （ISED） 、日本總務(wù)省 （MIC）
以及其他的要求。無線連接的設(shè)計(jì)和獲得所需的認(rèn)證可能很耗時(shí)，這將導(dǎo)致成本增加、延長上市時(shí)間。不過，設(shè)計(jì)者可以采用經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)和已經(jīng)獲得認(rèn)證的無線通信模塊、開發(fā)平臺(tái)。這類模塊和平臺(tái)會(huì)很容易地集成到智慧能源和公用事業(yè)設(shè)備中。

本文首先回顧本地網(wǎng)絡(luò)和云連接的幾種通信選擇和架構(gòu)，其中包括有線和無線網(wǎng)絡(luò)選擇。然后，介紹由 Digi、Silicon Labs、Laird Connectivity、Infineon 和 STMicroelectronics提供的幾種無線平臺(tái)以及加快設(shè)計(jì)過程所需的開發(fā)環(huán)境。這些平臺(tái)用于為智慧能源和公用事業(yè)部署安全、強(qiáng)大的無線連接。

大機(jī)遇、大挑戰(zhàn)

大挑戰(zhàn)往往伴隨著大機(jī)遇。在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施中部署智慧能源和公用事業(yè)時(shí)無疑就是這種情況。首先，需要有效地整合現(xiàn)有和老舊的基礎(chǔ)設(shè)施。然后，還需要部署地域上分散、技術(shù)上異質(zhì)的高效、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。最后，期待這些網(wǎng)絡(luò)具有高靈活性，能應(yīng)對未來技術(shù)的發(fā)展，如智慧和互連車輛出現(xiàn)等。

例如，先進(jìn)的自動(dòng)化交通管理系統(tǒng)可以提高安全，改善能源使用，減少汽車、公交車和其他車輛對環(huán)境的影響。在這種情況下，集中交通管理系統(tǒng)通過高帶寬光纖和無線回程通信連接到網(wǎng)絡(luò)。其他系統(tǒng)要素可包括（圖 1）：

在本地支持 IP 接入設(shè)備的以太網(wǎng)和蜂窩路由器。在某些情況下，增加以太網(wǎng)供電 （PoE），以提高網(wǎng)絡(luò)利用率并控制成本。

傳統(tǒng)設(shè)備可以通過專用的連接和串行端口進(jìn)行整合。

本地 Wi-Fi和藍(lán)牙設(shè)備可以使用匿名數(shù)據(jù)監(jiān)測交通流量和行人。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以在本地進(jìn)行分析，并發(fā)送至中央交通管理系統(tǒng)進(jìn)行決策，以執(zhí)行更高層次的控制功能。

先進(jìn)的本地固態(tài)交通控制器 （ASTC）會(huì)組合使用來自交通攝像頭、雷達(dá)或激光雷達(dá)等傳感器和其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，這類組合數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送至集中管理中心，用于實(shí)時(shí)優(yōu)化交通流量。

可以通過以下方式加強(qiáng)城市道路的整體能源效率、公共安全并減少環(huán)境影響：

通過把本地和集中控制相結(jié)合，并以幾乎實(shí)時(shí)的方式修改交通流量和信號(hào)燈時(shí)間，以監(jiān)測并最大限度地減少擁堵。

調(diào)整信號(hào)時(shí)間，以支持公交車和其他形式的公共交通的高效、按時(shí)運(yùn)行。

可以為第一反應(yīng)者提供實(shí)時(shí)優(yōu)化路線，以加快其到達(dá)時(shí)間并盡量減少對公共安全的總體影響。

未來的智慧城市

今天的智慧城市絕大部分仍是一項(xiàng)正在進(jìn)行中的工作。改進(jìn)和進(jìn)步的空間很大。未來的智慧城市將越來越注重綜合能源效率和提高生活質(zhì)量。將來，電動(dòng)汽車和智能或自主駕駛汽車會(huì)成為常態(tài)。這些車輛會(huì)被整合到智能住房、智能充電基礎(chǔ)設(shè)施、智能交付系統(tǒng)和端到端交通系統(tǒng)中，其中包括火車、輕軌和公交車，以及用于“最后一英里”的電動(dòng)機(jī)器人出租車。

智能手機(jī)的用途會(huì)越來越廣泛，包括購買公交汽車票、火車票，同時(shí)加快上述過程并進(jìn)一步減少交通帶來的環(huán)境影響。雖然運(yùn)輸仍將是電動(dòng)汽車的主要用途，但不會(huì)是唯一用途。

Infineon 公司表示，卡車、公共汽車、貨運(yùn)和送貨車輛以及建筑設(shè)備等商用車輛的排放約占城市 CO2 排放量的四分之一，約占整個(gè)溫室氣體 （GHG）排放量的百分之五。除了為乘用車和電動(dòng)自行車充電外，還需要開發(fā)綜合充電基礎(chǔ)設(shè)施，以滿足商用車車輛中大型電池地的充電需求。充電基礎(chǔ)設(shè)施將需要互聯(lián)并集中控制，以便針對不同類型的車輛及其使用情況最大限度地提高充電速度。

為了減小對環(huán)境的影響，提高生活質(zhì)量并有效利用能源，需要使用復(fù)雜的實(shí)時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測分散的可再生能源、微電網(wǎng)和蓄能的運(yùn)行情況，并優(yōu)化能源利用，管理水和廢水利用，管理廣泛的運(yùn)輸及其他系統(tǒng)。這些實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)必須是穩(wěn)定可靠，具有最小延遲（圖2）。為了支持智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)者需各種輔助工具，以便快速開發(fā)、部署和升級(jí)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)和連接設(shè)備。

利用無線模塊實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)網(wǎng)

為了快速部署安全網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)者可以采用 Digi 的 XBee RR 無線模塊。這種模塊基于 Silicon Labs 的
EFR32MG21B020F1024IM32-BR 無線片上系統(tǒng) （SoC），包括一個(gè) 80 MHz ARM Cortex-M33內(nèi)核和一個(gè)集成安全子系統(tǒng)。XBee 模塊利用多種無線協(xié)議和頻段，如 Zigbee、802.15.4 和 DigiMesh 以及低功耗藍(lán)牙（BLE），可支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。DigiMesh 是一種點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以降低使用 Zigbee 進(jìn)行點(diǎn)對多點(diǎn)配置時(shí)帶來的復(fù)雜性。這些模塊支持 BLE和與另一個(gè) BLE 設(shè)備的連接。

智能手機(jī)連接可用于使用 XBee 移動(dòng)應(yīng)用對模塊進(jìn)行配置和編程。此外，開發(fā)者可以使用與 Windows、MacOS 和 Linux 兼容的 XCTU配置平臺(tái)。XCTU 使用圖形化網(wǎng)絡(luò)視圖來簡化無線網(wǎng)絡(luò)配置，并使用 API 框架構(gòu)建器開發(fā)工具來快速構(gòu)建 XBee API框架。其他的模塊功能和選項(xiàng)包括：

封裝選項(xiàng)包括 13 mm x 19 mm 微型安裝設(shè)備（如 XBRR-24Z8UM）、表面貼裝模塊（如 XBRR-24Z8PS-J）、通孔配置模塊（如XBRR-24Z8ST-J）（圖 3）。

專業(yè) （PRO） 版通過了 FCC 認(rèn)證，用于北美地區(qū)；標(biāo)準(zhǔn)版符合 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)，用于歐洲地區(qū)。

低功率和高功率模塊的配置

室內(nèi)/城市范圍可達(dá) 90 m （300 ft），視情況而定

根據(jù)條件，室外視距可達(dá) 3200 m（2 英里）。

集成物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用簡化了設(shè)備安全、設(shè)備身份和數(shù)據(jù)隱私的整合

智能網(wǎng)關(guān)

Laird Connectivity 的 Sterling LWB+ 模塊（如 453-00084R）是高性能 2.4 GHz WLAN
和藍(lán)牙組合模塊，用于無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)。這類模塊基于 Infineon 的 AIROC CYW43439 單芯片無線電 IC，工作溫度為 -40°C 至+85°C，使其適用于各種智慧公用事業(yè)、智慧城市及能源應(yīng)用。Sterling LWB+ 模塊獲得了包括 FCC、ISED、EU、MIC 和 AS/NZS在內(nèi)的全球認(rèn)證。

Sterling LWB+ 模塊包括介質(zhì)訪問控制 （MAC）、基帶、無線電，以及一個(gè)用于藍(lán)牙接口的獨(dú)立高速 UART。Laird Connectivity和 Infineon 支持最新的 Android 和 Linux 驅(qū)動(dòng)。集成片式天線抗失調(diào)，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造。Sterling LWB+系列是一種系統(tǒng)級(jí)封裝 （SIP），提供印制線引腳、集成片式天線或 MHF4 連接器該系列還具有 WPA/WPA2/WPA3加密功能。這些模塊具有四種封裝方式，可滿足不同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求（圖 4）。

Sterling-LWB+ 包括一個(gè)安全可靠的高性能數(shù)字輸入和輸出 （SDIO），支持與任何基于 Linux 或 Android的系統(tǒng)輕松集成。為了加快無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)的開發(fā)，設(shè)計(jì)者可采用 453-00084-K1 開發(fā)套件。該套件包括具有集成 MHF 連接器的453-00084R 模塊（圖 5）。

無線工業(yè)級(jí)傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是智慧城市中智慧能源和公用事業(yè)的重要組成部分。為了幫助設(shè)計(jì)者避免快速設(shè)計(jì)、原型開發(fā)和測試高級(jí)無線傳感器節(jié)點(diǎn)造成的復(fù)雜性，STMicroelectronics提供 STEVAL-STWINKT1B SensorTile 開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)。該套件包括一塊支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證和安全數(shù)據(jù)管理的X-NUCLEO-SAFEA1A 擴(kuò)展板，一個(gè) BLUENRG-M2SA 藍(lán)牙收發(fā)模塊以及一個(gè) IMP23ABSUTR MEMS 麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)采用能與超低功耗板載微控制器一起使用的設(shè)計(jì)，用于在 35 Hz 直至超聲頻率范圍內(nèi)的 9 自由度 （DoF）運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)的振動(dòng)分析。該套件還包括一個(gè)加速儀、陀螺儀、濕度傳感器、磁力計(jì)以及壓力和溫度傳感器。

SensorTile 開發(fā)工具包可以訪問一系列軟件包、固件庫和云端儀表板應(yīng)用，以加快全面的端到端物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)。集成模塊提供 BLE連接，RS484 收發(fā)器支持有線連接，而 STEVAL-STWINWFV1 插件擴(kuò)展板則提供 Wi-Fi 連接。主板包括一個(gè) STMOD+ 連接器，用于添加基于STM32 系列微控制器的小尺寸子板。最后，該開發(fā)套件配備一塊 480 mAh 鋰聚合物電池、一個(gè) STLINK-V3MINI獨(dú)立調(diào)試和編程探頭以及一個(gè)塑料盒（圖 6）。

結(jié)束語

要滿足智慧城市中的智慧能源和公用事業(yè)系統(tǒng)的需求，就需要一系列無線連接協(xié)議。這些系統(tǒng)可以提高能源效率，改善公共安全，支持更有效的水和能源使用，并減少 CO2和溫室氣體排放。如圖所示，有各種 Wi-Fi、Zigbee和藍(lán)牙低能耗無線協(xié)議的無線模塊和開發(fā)環(huán)境，可以為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施中的智慧能源和公用事業(yè)提供安全、強(qiáng)大的連接功能。